机 器 人 任 务 学 习 和 协 同 工 作 Guy Hoffman MIT Media Laboratory guy@media.mit.edu Andrea Lockerd MIT Media Laboratory alockred@media.mit.edu 概 要 2. 研 究 方 法 在 这 篇 论 文 中, 我 们 阐 述 了 我 们 对 人 造 机 器 人 协 同 性 学 习 以 及 由 此 而 得 的 协 同 性 执 行 框 架 的 研 究 工 作 在 我 们 的 工 作 中, 一 个 具 有 人 类 特 点 的 机 器 人 学 会 了 由 基 本 动 作 和 较 简 单 的 工 作 组 成 的 分 层 次 的 任 务, 而 且 它 能 够 与 一 个 人 类 参 与 者 一 起 完 成 任 务 人 指 导 和 机 器 人 执 行 任 务 都 被 看 作 是 一 种 协 同 性 的 过 程, 是 建 立 在 人 类 自 然 的 社 会 技 巧 和 谈 话 上 的 我 们 的 方 法 是 以 目 标 为 中 心 的, 使 用 既 有 在 任 务 层 也 有 在 执 行 层 上 的 目 标, 以 在 机 器 学 习 ( Learning ) 和 协 同 工 作 (Collaboration) 上 建 立 一 个 共 用 的 基 础 在 机 器 人 和 人 类 参 与 者 执 行 任 务 阶 段, 动 态 的 网 格 化 辅 助 方 案 (Dynamic meshing of subplans) 以 及 自 主 评 估 (Self-assessment), 提 供 了 一 个 建 立 在 人 机 共 享 完 成 及 相 互 支 持 (Mutual commitment and support) 基 础 上 的 轮 流 机 制 (Turn-taking mechanism), 因 此 对 人 类 参 与 者 来 说, 他 的 直 观 就 是 在 执 行 任 务 阶 段, 他 和 机 器 人 共 同 从 事 了 一 项 共 享 而 具 有 协 同 性 质 的 活 动 1. 绪 言 在 麻 省 理 工 学 院 媒 体 实 验 室 的 机 器 人 生 命 组, 我 们 的 工 作 目 标 是 建 立 对 人 类 来 说 沟 通 自 然 而 直 观 的 社 会 性 的 机 器 我 们 将 使 机 器 人 掌 握 人 类 交 流 时 表 现 出 来 的 多 种 社 会 技 巧 : 通 讯 合 作 社 会 学 习 这 篇 论 文 将 详 细 阐 明 我 们 的 工 作, 我 们 通 过 让 机 器 人 雷 昂 纳 多 (Leonardo, 文 章 中 简 称 Leo 雷 昂 ) 与 人 类 的 教 师 交 流 来 学 习 如 何 完 成 一 项 任 务, 随 之, 它 就 具 有 了 协 同 性 地 与 一 个 人 类 参 与 者 一 起 执 行 这 些 任 务 的 能 力 我 们 的 目 标 是 教 会 机 器 人 雷 昂 纳 多 如 何 协 同 人 类 一 起 完 成 一 项 结 构 上 复 杂 的 任 务 通 过 完 成 具 有 表 现 力 且 为 联 合 的 意 图 提 供 解 释 (Affords the construction of joint intentions) 的 工 作 我 们 得 以 实 现 这 个 目 标 在 这 个 部 分, 您 将 大 致 了 解 我 们 系 统 的 三 大 部 分 : 分 层 次 的 学 习 (Hierarchical Learning) 目 标 (Goals) 以 及 联 合 意 图 (Joint Intentions) 2.1. 分 层 次 的 任 务 学 习 我 们 让 机 器 人 学 习 一 项 任 务 的 表 现 方 式, 而 这 项 任 务 的 组 成 动 作 和 子 任 务, 及 这 项 任 务 的 目 标 都 是 相 互 联 系 的 这 项 工 作 的 表 现 形 式 是 这 样 的 : 它 将 提 供 一 种 共 有 的 计 划 结 构 (Construction of Shared Plans) 以 及 联 合 的 意 图 (Joint Intentions), 以 便 机 器 人 与 一 个 搭 档 一 起 完 成 这 一 项 任 务 许 多 的 社 会 型 和 表 现 型 的 技 巧 使 得 机 器 人 具 有 了 能 够 在 人 类 教 师 的 指 导 下, 理 解 并 且 协 同 完 成 一 项 复 杂 任 务 的 效 力 指 导 这 些 任 务 体 现 了 我 们 研 究 协 同 性 工 作 的 方 法 联 合 意 图 是 建 立 在 目 标 层 (Object level) 和 任 务 结 构 层 (Task structure level) 上 的 当 机 器 人 雷 昂 做 好 学 习 新 知 识 的 准 备 时, 它 用 细 微 的 表 现 方 法 来 暗 示 人 类 指 导 者, 而 机 器 人 执 行 人 类 指 导 者 教 过 的 动 作 也 让 人 类 指 导 者 立 即 接 受 到 反 馈 信 息 : 雷 昂 已 经 理 解 了 这 个 任 务 凝 视 表 示 厌 恶 眼 睛 接 触 和 细 微 的 点 头 动 作 这 都 被 我 们 封 装 在 机 器 人 中, 以 此 我 们 得 以 将 一 项 复 杂 任 务 的 学 习 简 化 成 一 种 对 人 类 指 导 者 来 说 自 然 的 方 式 我 们 使 用 例 如 下 一 步 首 先 等 普 通 的 关 键 词 汇 来 指 出 任 务 结 构 和 其 先 后 顺 序 [5]
2.2. 目 标 驱 动 的 行 为 我 们 认 为, 以 目 的 为 中 心 对 指 导 机 器 人 和 协 同 完 成 任 务 来 说 都 是 一 个 基 本 的 特 点 我 们 已 经 反 复 验 证, 人 类 以 目 标 为 基 础 来 理 解 行 动 的 意 图 而 且 对 协 同 性 工 作 来 说, 最 重 要 的 既 不 是 具 体 的 动 作, 也 不 是 动 作 的 轨 迹, 而 是 目 标 目 标 为 传 达 信 息 和 交 互 提 供 了 一 个 共 有 的 基 础 这 对 协 同 性 实 验 来 说 是 尤 其 重 要 的, 因 为 人 类 搭 档 偏 向 于 使 用 一 种 以 目 的 为 基 础 的 心 理 来 解 释 机 器 人 的 动 作 [6] 在 学 习 一 项 任 务 的 时 候, 任 务 的 目 标 是 与 其 每 一 个 组 成 部 分 以 及 整 个 任 务 都 联 系 紧 密 的 因 此, 任 务 的 目 标 不 仅 仅 是 具 体 动 作 和 子 任 务 的 组 合 另 外, 在 执 行 任 务 的 时 候, 为 了 判 断 一 个 任 务 是 否 已 经 完 成, 我 们 应 当 看 这 项 任 务 的 整 体 目 标 是 否 已 经 完 成, 而 不 是 判 断 每 一 个 子 目 标 是 否 完 成, 这 样 能 够 提 高 效 率 我 们 发 现, 目 标 驱 动 的 方 法 对 指 导 任 务 和 协 同 性 的 执 行 任 务 来 说 都 非 常 重 要 目 标 为 动 作 的 细 化 和 理 解, 以 及 为 作 为 协 同 性 活 动 一 部 分 的 动 作 调 整 都 提 供 了 一 个 共 同 的 基 础 2.3. 联 合 意 图 在 一 项 协 同 性 的 任 务 中, 要 解 决 一 个 普 通 的 问 题 需 要 许 多 步 骤 的 工 作 为 了 实 现 协 同 性 工 作, 必 须 有 一 种 联 合 机 制 使 得 单 独 步 骤 的 工 作 得 以 结 合 对 人 类 而 言, 协 同 工 作 不 仅 仅 只 是 由 个 人 动 机 产 生 的 单 独 动 作 的 累 加, 而 是 整 合 一 组 或 一 系 列 动 机, 从 而 激 发 并 产 生 的 动 作 我 们 通 过 研 究 一 些 模 块 来 解 释 独 立 动 机 和 活 动 产 生 的 结 果 如 何 结 合 成 一 个 联 合 的 动 作 Searle[10] 宣 称, 集 体 的 动 机 和 动 作 (Collective intent and action) 在 与 解 决 该 任 务 有 关 的 步 骤 的 独 立 动 机 中 不 能 起 作 用, 而 独 立 动 机 是 由 它 们 在 整 体 目 标 中 的 起 到 的 作 用 产 生 的 Searle 还 强 调 社 会 基 础 构 造 对 协 同 性 工 作 的 重 要 性 Bratman[2] 将 共 享 而 合 作 的 动 作 细 化 成 相 互 的 响 应 (Mutual responsiveness ) 参 与 联 合 活 动 (Commitment to the Joint Activity) 和 参 与 相 互 支 持 (Commitment to Mutual Support) Bratman 同 样 引 入 了 网 格 化 辅 助 方 案 的 理 念, 并 将 我 们 的 机 器 人 研 究 项 目 推 广 到 动 态 网 格 化 辅 助 方 案 Cohen et al [4, 9] 认 为, 要 让 拥 有 局 限 知 识 和 理 念 的 机 器 人 在 一 个 变 化 的 环 境 中 实 现 协 同 工 作, 需 要 满 足 下 列 条 件 : 信 息 交 流 参 与 到 联 合 任 务 中 参 与 到 相 互 支 持 中, 以 及 动 态 的 网 格 化 的 辅 助 方 案 和 行 动 步 骤 我 们 的 实 验 测 试 了 一 些 与 联 合 动 机 (Joint Intention) 相 关 的 理 论 正 如 Bratman 的 系 统 控 制 区 理 论, 我 们 非 常 重 视 机 器 人 与 外 界 交 流 它 对 外 界 以 及 任 务 的 接 受 状 态 不 论 是 对 审 视 一 个 与 具 体 目 标 有 关 的 联 合 活 动 (Joint Action), 还 是 对 建 立 在 普 通 动 机 的 子 目 标 之 上 的 独 立 动 机 的 解 释, 以 目 标 为 中 心 的 世 界 观 都 很 重 要 我 们 的 目 标 是 表 现 面 向 机 器 人 与 人 类 搭 档 之 间 的 协 同 工 作 目 标 涉 及 机 器 人 的 世 界 观 和 动 作 观 (World and activity state), 在 机 器 人 和 人 类 之 间 建 立 一 种 共 同 的 基 础 这 也 就 很 自 然 的 产 生 了 联 合 动 机 (Joint Intention) 注 意 力 (Attention) 和 规 划 (Planning) 在 整 个 机 器 人 与 人 的 协 同 工 作 中, 人 类 参 与 者 对 雷 昂 当 前 的 独 立 动 机 和 它 的 部 分 联 合 动 机 都 有 一 个 清 楚 的 认 识 3. 体 系 结 构 为 了 实 现 上 述 的 目 标, 我 们 扩 展 了 C5M 体 系 结 构 [3] 以 便 来 处 理 分 层 次 的 任 务 (Hierarchical tasks) 以 目 的 为 基 础 的 决 策 制 定 (Goal based decision making) 任 务 学 习 (Task learning ) 以 及 协 同 工 作 (Collaboration) 第 三 部 分 将 详 细 阐 述 这 其 中 的 每 一 个 扩 展 功 能 3.1. 分 层 次 的 任 务 任 务 是 通 过 一 种 分 层 次 结 构 的 动 作 和 子 任 务 ( 以 同 样 的 方 式 递 归 定 义 ) 表 现 的 任 务 和 动 作 都 是 由 相 同 动 作 元 组 (Action Tuple) 的 数 据 结 构 衍 生 的 ; 这 也 就 允 许 任 务 和 动 作 在 任 务 学 习 和 执 行 阶 段 都 能 以 一
种 统 一 的 方 式 被 使 用, 因 此 自 然 而 然 地 就 表 现 了 分 层 次 的 任 务 一 个 动 作 元 组 包 括 前 提 (Precondition) 状 态 执 行 状 态 (Executable Condition ) 和 到 目 前 为 止 状 态 (Until Condition) 除 这 些 之 外, 表 述 一 项 任 务 还 应 包 括 它 动 作 中 的 限 制 目 前 我 们 仅 仅 整 合 了 结 果 限 制 (Sequential Constraints), 但 表 述 任 务 是 类 属 的, 也 就 意 味 着 将 来 能 将 其 它 更 多 的 限 制 条 件 整 合 到 任 务 表 述 中 一 项 任 务 的 执 行 部 分 包 括 完 成 每 一 个 它 的 子 部 分 或 子 功 能 ( 除 非 更 高 等 级 的 目 标 已 经 以 另 外 的 方 式 被 实 现 了 ) 通 过 递 归 性 的 执 行 方 式, 一 个 可 执 行 的 子 任 务 拓 展 为 它 自 己 的 动 作 3.2. 目 标 任 务 的 执 行 是 目 标 驱 动 的 我 们 当 前 的 系 统 将 目 标 分 为 主 要 的 两 类 :(1), 表 现 外 界 世 界 变 化 状 态 的 目 标, 我 们 称 之 为 状 态 变 化 目 标 (State-change Goal);(2) 不 需 要 考 虑 其 对 外 界 世 界 影 响 的 任 务, 我 们 称 这 种 任 务 为 去 做 目 标 ( Just Do It 1 Goal) 这 些 类 型 的 目 标 的 前 提 状 态 执 行 状 态 和 到 目 前 为 止 状 态 都 有 区 别 要 判 断 一 个 状 态 变 化 目 标 是 否 需 要, 必 须 在 活 动 进 行 之 前 评 估 这 个 状 态 变 化 目 标 同 样, 机 器 人 以 某 个 状 态 变 化 为 目 标, 如 果 不 能 得 到 预 期 的 状 态 变 化, 它 就 会 反 复 地 尝 试 执 行 该 动 作 相 反 的 是, 一 个 去 做 目 标 将 忽 略 任 何 前 提 而 被 机 器 人 执 行, 而 且 仅 仅 会 被 执 行 一 次 3.3. 任 务 管 理 器 模 块 任 务 管 理 模 块 负 责 任 务 的 执 行 和 学 习 任 务 管 理 器 监 听 来 自 信 息 理 解 系 统 的 信 号 : 做 要 求 机 器 人 从 事 的 任 务 有 三 种 可 能 的 场 景 : 一 是 机 器 人 雷 昂 已 经 了 解 的 任 务, 二 是 雷 昂 不 了 解 但 需 要 事 先 学 习 的 任 务, 三 是 要 求 雷 昂 与 人 类 参 与 者 协 同 执 行 的 任 务 发 出 命 令 的 人 可 以 说 这 样 的 话 来 初 始 一 项 任 务 雷 昂, 做 一 号 任 务 或 者 雷 昂, 1 术 语 去 做 ( Just Do It ) 是 因 一 家 制 鞋 企 业 流 行 起 来 的, 但 事 实 上 去 做 起 源 于 佛 教 徒 讲 道, 意 思 是 让 我 们 把 注 意 力 集 中 到 我 们 当 前 的 动 作 上, 同 时 让 自 己 的 所 思 所 想 干 涉 我 们 的 当 前 状 态 让 我 们 一 起 做 一 号 任 务 而 且, 任 何 一 个 类 似 这 样 的 问 题 都 可 以 换 一 种 方 式 问, 例 如 : 雷 昂, 你 能 做 一 号 任 务 吗? 任 务 管 理 器 负 责 识 别 这 些 不 同 的 场 景 并 控 制 机 器 人 启 动 相 应 的 执 行 模 块 ( 也 有 可 能 当 人 的 要 求 是 一 个 问 题 的 时 候 任 务 管 理 器 将 回 答 这 个 问 题 ) 任 务 管 理 器 为 机 器 人 维 护 一 系 列 的 已 知 任 务 (Known Tasks) 如 果 雷 昂 被 要 求 做 一 项 它 已 经 指 导 怎 么 做 的 任 务, 那 么 任 务 管 理 器 就 将 执 行 该 任 务 执 行 过 程 包 括 将 该 任 务 的 动 作 和 子 任 务 推 到 堆 栈 中 ( 一 种 类 似 [8] 的 方 法 ) 完 成 之 后, 管 理 器 继 续 处 理 堆 栈 中 的 动 作 并 在 动 作 完 成 之 后 将 其 出 栈, 如 果 处 理 的 是 子 任 务, 就 将 子 任 务 的 动 作 入 栈 接 下 来 的 两 段 将 详 细 阐 述 另 外 两 个 场 景 : 任 务 学 习 和 协 同 工 作 如 果 要 求 雷 昂 与 人 类 参 与 者 一 起 做 一 项 任 务, 那 么 任 务 管 理 模 块 便 启 动 协 同 工 作 模 块 另 外, 如 果 要 求 雷 昂 做 一 项 全 新 的 任 务, 它 便 会 转 入 任 务 学 习 模 块 来 学 习 如 何 完 成 这 一 项 任 务 3.4. 任 务 学 习 模 块 当 任 务 管 理 器 接 收 到 一 个 不 在 它 的 任 务 知 识 库 中 的 任 务 请 求 时, 它 便 会 发 出 信 息 告 诉 人 类 参 与 者 : 雷 昂 需 要 学 习 如 何 完 成 您 方 才 要 求 的 任 务, 同 时, 任 务 管 理 器 转 向 学 习 模 块 学 习 过 程 是 递 归 性 的, 也 就 是 说 通 过 学 习 一 项 大 的 任 务, 雷 昂 也 可 以 学 习 如 何 完 成 它 的 子 任 务 当 雷 昂 处 于 学 习 模 块 时, 如 果 任 务 管 理 器 又 接 收 到 一 个 新 的 不 在 任 务 知 识 库 中 的 任 务 请 求, 那 么 当 前 的 学 习 过 程 将 被 压 入 一 个 堆 栈, 同 时 另 一 个 学 习 过 程 被 启 动 一 旦 这 个 新 的 子 任 务 学 习 过 程 结 束, 它 将 被 弹 出 堆 栈 它 相 应 产 生 的 结 果 被 添 加 到 原 来 的 学 习 过 程 中, 从 而 原 来 的 学 习 过 程 得 以 继 续 举 例 说 明 是 解 释 任 务 学 习 的 最 好 方 式, 下 面 的 例 子 就 是 教 会 雷 昂 打 开 和 关 掉 他 面 前 的 按 钮 人 类 指 导 者 通 过 要 求 雷 昂 完 成 打 开 和 关 掉 按 钮 这 一 任 务 来 开 始, 接 收 到 这 一 信 息 后, 机 器 人 雷 昂 的 回 应 是 : 抱 歉, 我 不 知 道 怎 样 去 完 成 这 个 任 务, 同 时 雷 昂 启 动 了 任 务 学 习 模 块 然 后 老 师 告 诉 雷
图 1. 分 层 次 的 任 务 和 目 标 表 示 昂 : 任 务 随 着 打 开 按 钮 而 开 始 ; 雷 昂 再 一 次 提 示 : 我 也 不 知 道 什 么 教 做 打 开 按 钮 作 为 回 应, 指 导 者 开 始 教 雷 昂 如 何 打 开 按 钮 通 过 指 导 它 完 成 这 一 任 务 当 要 求 雷 昂 打 开 按 钮 1 的 时 候, 雷 昂 学 习 到 了 当 按 下 按 钮 1 的 时 候 外 部 世 界 改 变 了, 也 就 是 按 钮 1 现 在 打 开 了 因 此, 这 就 被 记 录 为 按 下 按 钮 1 这 个 动 作 的 目 标, 这 个 动 作 就 作 为 按 下 按 钮 这 个 子 任 务 而 存 储 其 它 的 按 下 按 钮 任 务 都 是 类 似 的, 当 所 有 的 按 钮 都 打 开 以 后, 指 导 者 告 诉 雷 昂 : 现 在 你 已 经 完 成 了 按 下 按 钮 这 个 任 务 此 时, 雷 昂 认 识 到 了 在 完 成 按 下 按 钮 这 个 任 务 前 后, 它 眼 中 世 界 的 不 同 之 处, 并 将 按 下 按 钮 这 一 任 务 的 目 标 就 是 让 所 有 的 按 钮 都 处 于 打 开 状 态 记 录 在 知 识 库 中 这 将 作 为 整 个 打 开 和 关 闭 按 钮 这 个 任 务 的 的 一 部 分 被 雷 昂 存 储 起 来 同 样, 指 导 者 以 一 种 类 似 的 方 式 教 雷 昂 如 何 关 闭 一 个 按 钮, 然 后 雷 昂 就 明 白 了 关 闭 按 钮 整 个 任 务 的 目 标 就 是 让 所 有 的 按 钮 都 处 于 关 闭 的 状 态 完 成 了 这 些 以 后, 指 导 者 告 诉 雷 昂 打 开 和 关 闭 最 初 的 按 钮 这 项 工 作 已 经 完 成 了 雷 昂 认 识 到 在 打 开 和 关 闭 按 钮 执 行 这 个 任 务 前 后, 它 的 外 在 环 境 并 没 有 发 生 改 变, 因 此 它 认 为 打 开 和 关 闭 按 钮 这 项 任 务 的 目 标 仅 仅 是 完 成 任 务 本 身 这 一 动 作 这 个 目 标 就 被 记 录 成 一 个 去 做 目 标 图 1 表 明 了 上 述 指 导 范 例 的 结 果 雷 昂 通 过 向 指 导 者 表 示 我 不 知 道 如 何 完 成 您 所 要 求 的 任 务 来 初 始 化 它 的 学 习 过 程 然 后, 当 雷 昂 处 于 学 习 模 式 时, 学 习 模 块 将 持 续 地 记 录 与 目 标 相 关 的 动 作 当 处 理 到 一 个 动 作 或 一 项 任 务 的 目 标 状 态 时, 雷 昂 就 将 执 行 该 动 作 或 任 务 前 后 的 外 界 状 态 做 比 较 : 如 果 这 个 动 作 或 者 任 务 产 生 了 一 种 状 态 上 的 变 化, 那 么 这 个 变 化 就 被 记 录 成 了 目 标 否 则 如 果 外 界 没 有 任 何 变 化, 那 么 这 个 目 标 就 被 记 录 成 为 去 做 目 标 这 种 处 理 的 结 果 就 是 一 种 分 层 次 的 任 务 表 述 方 式 对 任 务 的 每 一 个 独 立 部 分 和 任 务 整 体 都 设 置 了 自 身 的 目 标 当 指 导 者 告 诉 机 器 人 任 务 已 经 完 成 了 的 时 候, 这 项 任 务 就 被 添 加 到 任 务 管 理 器 的 知 识 库 中 雷 昂 通 过 真 正 执 行 某 一 个 任 务, 来 表 示 它 对 一 个 新 学 的 子 任 务 或 者 动 作 的 理 解 ( 如 图 2), 如 果 它 不 能 理 解 一 个 动 作 或 者 一 个 目 标, 那 么 这 样 的 失 败 能 轻 易 而 且 自 然 地 被 指 导 者 发 现, 而 且 我 们 现 在 正 在 设 法 引 入 消 极 的 反 馈 以 纠 正 任 务 的 表 现 形 式 在 一 个 典 型 的 教 师 与 学 生 的 交 流 中, 一 旦 交 流 中 出 现 错 误 教 师 将 立 即 给 予 纠 正, 对 人 类 指 导 者 来 说 这 种 类 型 的 纠 错 是 最 自 然 不 过 的 图 2. 雷 昂 纳 多 现 学 现 用, 使 得 指 导 者 可 以 实 时 纠 正 它 的 错 误
3.5. 协 同 工 作 模 块 协 同 工 作 是 普 通 计 划 的 一 个 联 合 执 行 (Joint execution of a common plan) 当 雷 昂 纳 多 单 独 从 事 一 项 任 务 的 时 候, 它 根 据 状 态 机 (State Machine), 利 用 堆 栈 来 执 行 任 务 树 (Task Tree), 直 到 达 到 任 务 的 目 标 为 止 当 雷 昂 与 人 类 参 与 者 协 同 工 作 时, 必 须 考 虑 更 多 新 的 因 素 在 一 个 协 同 工 作 的 环 境 下, 单 个 任 务 会 ( 而 且 是 该 是 必 须 ) 被 参 与 者 拆 分, 在 决 定 下 一 步 做 什 么 事 情 的 时 候 必 须 考 虑 协 作 者 的 动 作, 当 其 中 一 位 参 与 者 不 能 独 立 完 成 一 种 特 定 动 作 时 其 他 参 与 者 必 须 相 互 援 助 而 且, 为 了 在 协 作 者 之 间 建 立 相 同 的 理 念 和 共 同 的 基 础, 必 须 有 一 个 清 晰 的 沟 通 与 交 流 渠 道, 这 样 才 能 实 现 共 同 的 目 标 在 我 们 的 实 验 中, 我 们 让 雷 昂 纳 多 在 为 联 合 目 标 而 努 力 的 同 时 参 与 到 协 同 工 作 中 为 了 使 整 个 协 作 过 程 变 得 更 加 的 人 性 化, 我 们 借 鉴 了 很 多 人 与 人 之 间 协 作 时 用 到 的 机 理, 也 就 是 : 思 想 特 别 集 中 在 交 流 上 动 态 的 网 格 化 的 辅 助 方 案 轮 流 的 体 制 以 及 从 我 们 的 目 的 (We-intentions) 到 我 的 目 的 (I-intentions) 而 衍 生 的 一 种 直 觉 3.5.1. 动 态 的 网 格 化 的 辅 助 方 案 我 们 采 用 了 一 种 人 和 机 器 人 轮 流 决 策 的 框 架 在 这 种 框 架 里, 人 类 协 作 者 和 雷 昂 纳 多 一 起 为 了 一 个 共 同 的 目 标 而 工 作 雷 昂 的 动 机 系 统 (Intention System) 是 一 个 联 合 动 机 的 模 块 (Joint-intention Module), 这 个 模 块 可 以 动 态 地 将 任 务 分 派 给 整 个 协 作 团 队 中 的 每 一 位 成 员 机 器 人 将 以 自 己 对 整 个 团 队 目 标 的 理 解 对 当 前 任 务 状 态 的 估 计 以 及 对 它 自 身 能 力 的 评 估 来 产 生 独 立 的 动 机 它 可 以 与 它 的 人 类 协 作 伙 伴 交 流 有 关 任 务 开 始 和 结 束 的 信 息, 并 且 能 够 意 识 到 任 务 环 境 中 的 改 变 它 自 身 和 它 的 协 作 者 的 成 功 和 失 败 最 重 要 的 是, 机 器 人 雷 昂 能 够 把 任 务 的 成 功 完 成 或 者 任 务 中 不 可 实 现 的 关 键 一 步 或 者 完 整 的 联 合 动 作 成 功 地 传 达 给 它 的 协 同 者 在 人 机 交 流 的 每 一 阶 段, 要 不 就 是 人 类 参 与 者 完 成 她 的 那 一 部 分 任 务, 要 不 就 是 雷 昂 完 成 它 要 做 的 那 部 分 任 务 在 按 照 轮 流 的 方 式 执 行 任 务 的 同 时, 我 们 的 系 统 也 支 持 同 步 的 动 作 (Simultaneous Action), 也 就 是 说 在 人 类 参 与 者 进 行 某 个 任 务 中 的 一 项 活 动 的 同 时 雷 昂 也 扑 在 这 个 任 务 中 的 另 外 一 部 分 上 埋 头 苦 干 为 了 支 持 系 统 中 上 述 的 特 点, 雷 昂 将 根 据 自 己 以 及 它 的 协 助 者 的 行 动 和 能 力, 以 一 种 动 态 的 网 格 化 的 辅 助 方 案 为 基 础 衍 生 出 它 的 自 我 动 机 (I-intentions) 如 果 雷 昂 正 在 从 事 的 那 部 分 任 务 中, 已 经 有 人 类 参 与 者 完 成 了 其 中 的 某 个 单 独 的 部 分, 那 么 雷 昂 纳 多 就 会 考 虑 到 这 点 而 且 就 不 会 再 重 复 性 地 去 做 该 部 分 人 类 参 与 者 已 经 完 成 的 任 务 在 尝 试 着 去 完 成 任 务 中 的 某 个 部 分 时, 雷 昂 就 与 协 作 者 协 商 以 决 定 谁 去 完 成 这 部 分 3.5.2. 自 主 评 估 和 相 互 支 持 雷 昂 具 有 自 我 评 估 的 能 力 如 果 它 能 够 完 成 某 部 分 任 务 的 话, 它 将 主 动 要 求 完 成 这 部 分 任 务 相 反 的 话, 无 论 它 什 么 时 候 认 为 自 己 不 能 执 行 某 一 动 作, 它 都 会 在 第 一 时 间 内 请 协 作 者 帮 忙 雷 昂 不 能 在 发 现 问 题 的 时 候 说 话, 所 以 它 通 过 把 自 己 的 手 指 向 自 己 来 表 示 它 不 能 完 成 当 前 的 动 作, 同 时 雷 昂 也 会 采 取 做 警 报 动 作 和 脸 部 表 情 来 传 达 这 一 信 息 ( 如 图 3) 类 似 地, 当 雷 昂 发 现 它 自 身 不 能 完 成 分 配 给 它 的 任 务 的 时 候, 雷 昂 就 做 出 一 种 无 助 的 表 情, 也 就 是 用 手 指 向 协 助 者 ( 如 图 4) 通 过 盯 着 某 个 地 方, 雷 昂 向 协 助 者 暗 示 它 在 那 个 地 方 遇 到 了 麻 烦, 需 要 帮 助 3.5.3. 姿 势 的 暗 示 我 们 的 机 器 人 雷 昂 使 用 了 大 量 的 姿 势 暗 示 来 向 人 类 传 达 它 的 内 在 状 态 ( 当 然, 雷 昂 认 为, 无 论 人 类 参 与 者 是 否 相 信 任 务 的 目 标 已 经 达 成, 人 类 参 与 者 都 在 从 事 一 项 活 动 ) 当 人 类 参 与 者 改 变 了 外 在 世 界 的 状 态 时, 雷 昂 将 迅 速 观 察 几 眼 有 变 化 的 区 域, 并 在 检 测 到 变 化 之 后 重 新 盯 着 人 类 协 作 者 我 们 认 为 姿 势 暗 示 是 非 常 有 价 值 的, 尤 其 是 当 人 类 协 作 者 完 成 部 分 联 合 计 划 的 同 时 雷 昂
图 3. 雷 昂 告 诉 人 类 协 作 者, 这 个 动 作 它 可 以 做, 让 它 来 图 4. 雷 昂 遇 到 它 不 能 完 成 的 动 作 时 向 人 类 协 助 者 求 助 也 在 进 行 部 分 工 作, 或 者 当 人 类 参 与 者 出 乎 意 料 地 改 变 了 某 些 外 界 环 境 的 时 候 雷 昂 传 递 的 眼 神 告 诉 人 类 参 与 者 : 你 放 心, 我 已 经 注 意 到 了 你 的 活 动, 这 样, 在 人 类 参 与 者 和 雷 昂 之 间 就 建 立 了 一 种 对 共 同 计 划 的 相 互 信 任 关 系 类 似 的, 雷 昂 用 细 微 的 点 头 动 作 来 表 示 它 认 为 某 一 项 任 务 或 者 子 任 务 已 经 完 成 了 4. 实 验 我 们 在 任 务 学 习 和 协 作 中 已 经 进 行 了 许 多 次 的 试 验 早 先 我 们 已 经 在 机 器 人 雷 昂 上 实 现 了 语 音 识 别 和 机 械 技 巧 ( 标 记 和 按 按 钮 ), 现 在 我 们 设 计 了 一 系 列 的 任 务, 包 括 许 多 的 有 次 序 的 步 骤, 比 如 先 打 开 再 关 闭 一 组 的 按 钮 ( 细 化 为 ) 打 开 所 有 按 钮 的 子 任 务 : 打 开 一 个 按 钮 以 去 做 任 务 的 方 式 将 单 个 的 按 钮 打 开 再 关 闭 在 我 们 的 实 验 中, 我 们 能 够 教 会 雷 昂 纳 多 上 述 类 型 的 任 务, 通 过 回 忆 它 已 经 学 过 的 复 杂 动 作 中 的 子 任 务, 雷 昂 能 够 展 示 它 对 嵌 套 型 动 作 (Nested Action) 的 理 解 在 从 事 一 项 任 务 时, 雷 昂 能 够 理 解 这 项 任 务, 并 能 根 据 它 首 次 成 功 完 成 任 务 来 决 定 要 重 复 完 成 该 任 务 多 少 次, 它 对 任 务 目 标 和 对 自 动 将 目 标 分 成 状 态 目 标 和 去 做 目 标 的 理 解 已 经 成 功 地 展 示 出 来 了 在 对 雷 昂 的 训 练 过 程 中, 雷 昂 的 姿 势 暗 示 提 供 了 对 指 导 者 来 说 足 够 的 信 息, 让 指 导 者 能 够 清 楚 的 意 识 到 雷 昂 是 成 功 地 理 解 了 一 项 任 务 还 是 在 繁 杂 的 任 务 中 碰 到 了 麻 烦 在 我 们 实 验 的 协 作 阶 段, 机 器 人 雷 昂 以 动 态 的 状 态 改 变 为 基 础 成 功 地 展 示 了 网 格 化 的 辅 助 方 案, 这 些 状 态 改 变 的 原 因 可 能 是 它 的 任 务 执 行 成 功 失 败 或 者 协 作 者 的 动 作 雷 昂 的 姿 势 暗 示 营 造 了 一 种 自 然 的 协 作 环 境, 通 过 暗 示 雷 昂 向 协 作 者 传 达 它 的 当 前 状 态, 或 者 告 诉 协 作 者 我 能 完 成 这 项 任 务 ( 或 进 行 这 个 动 作 ), 让 我 来 同 时, 雷 昂 在 需 要 帮 助 时 的 暗 示 充 分 地 表 明 了 它 对 自 身 能 力 限 制 的 理 解, 而 且 它 通 过 盯 着 物 体 看 和 做 出 不 同 的 姿 势 向 人 类 协 助 者 传 达 信 息, 使 得 协 助 者 能 够 在 每 一 种 情 况 下 都 做 出 恰 当 的 响 应 动 作 5. 结 论 我 们 工 作 的 目 标 是 通 过 将 自 然 的 人 际 社 会 技 巧 和 谈 话 整 合 到 机 器 中, 使 机 器 人 与 人 类 的 交 流 更 加 自 然 而 有 益 在 这 篇 论 文 中 我 们 已 经 说 明 了 向 这 个 目 标 迈 出 的 重 要 两 步 : 通 过 协 作 性 对 话 教 会 机 器 人 完 成 任 务 的 能 力 和 调 整 联 合 动 机 以 便 协 同 性 地 完 成 某 一 任 务 的 能 力 我 们 的 以 目 标 为 中 心 的 方 法 在 任 务 层 和 动 作 层 中 都 使 用 到 了 目 标, 以 此
来 为 任 务 学 习 和 协 同 工 作 建 立 一 个 普 遍 适 用 的 基 础 6. 未 来 将 开 展 的 工 作 我 们 正 准 备 对 当 前 的 工 作 做 以 下 的 扩 充 正 如 我 们 前 面 提 到 的, 在 一 个 典 型 的 教 学 环 境 中, 一 旦 交 流 过 程 中 出 现 错 误, 教 师 就 会 马 上 指 出 来 并 指 导 学 生 正 确 的 纠 正 方 式 这 种 实 时 的 纠 错 机 制 伴 随 机 器 人 的 立 即 反 馈 将 大 大 增 加 人 类 指 导 者 的 指 导 经 验, 也 将 提 高 任 务 学 习 的 准 确 性 我 们 同 样 致 力 于 使 系 统 对 任 务 和 动 作 的 可 能 目 标 有 一 个 更 灵 活 的 表 现 形 式 当 前 的 设 计 在 判 断 动 作 和 任 务 的 目 标 是 何 种 类 型 时 相 当 死 板 理 想 的 情 况 是, 机 器 人 对 目 标 可 能 是 什 么 有 许 多 的 假 设, 然 后 再 归 纳 总 结 这 些 假 设, 从 而 更 加 确 认 多 样 的 范 例 中 的 假 设 当 前, 任 务 的 表 示 方 法 能 够 整 合 当 前 条 件 的 限 制, 我 们 也 就 是 以 这 种 方 式 来 详 细 说 明 有 顺 序 的 限 制 条 件 将 来, 我 们 会 考 虑 详 细 说 明 动 作 之 间 的 其 他 种 类 的 条 件 限 制, 比 如 表 示 哪 个 动 作 是 其 他 动 作 的 前 提 在 协 同 工 作 的 阶 段, 当 前 的 轮 流 机 制 需 要 从 头 到 尾 在 任 务 解 决 的 每 一 个 步 骤 都 协 商 如 何 分 工 将 来 我 们 将 考 虑 事 先 安 排 好 这 种 协 商, 使 得 人 机 交 互 更 加 的 经 济 [3] R. Burke, D. Isla, M. Downie, Y. Ivanov, B. Blumberg (2001). CreatureSmarts: The Art and Architecture of a Virtual Brain, In Proceedings of the Game Developers Conference, pp. 147-166, San Jose, CA, 2001. [4] P. Cohen (1991). Teamwork, Nous 25, pp 487-512. [5] P. Cohen, H. Levesque, J. Nunes, and S. Oviatt (1990), Task-Oriented Dialogue as a Consequence of Joint Activity, Proceedings of PRICAI-90. Pp. 203-208. [6] D. Dennett (1987), Three kinds of intentional psychology, In The Intentional Stance. MIT Press. Chapter 3. [7] B. Gleissner, A. Meltzoff, H. Bekkering (2000), Children s coding of human action: cognitive factors influencing imitation in 3 year olds, Developmental Science 3(4), pp. 405-414. [8] B. Grosz & C. Sider (1990), Plans for Discourse, In Cohen, Morgan, Pollack (eds) Intentions in Communication. MIT Press. Chapter 20. [9] H. Levesque, P. Cohen, J. Nunes (1990), On Acting Together, In Proceedings of the Eighth National Conference on Artificial Intelligence (AAAI-90), pp. 94 99, Boston, MA, 1990. [10] J. Searle (1990). Collective Intentions and Actions, In Cohen, Morgan and Pollack (eds.) Intentions in communication. MIT Press, Chapter 19. [11] A.Woodward, J. Sommerville and J. Guajardo (2001), How infants make sense of intentional action, In Malle, Moses, and Baldwin (eds.) Intention and Intentionality. MIT Press. Chapter 7. 参 考 [1] D. Baldwin & J. Baird (2001), Discerning Intensions in Dynamic Human Action, Trends in Cognitive Science 5(4), pp. 171-178. [ 2] M. Bratman (1992). Shared Cooperative Activity, The Philosophical Review, 101(2) pp. 327-341.